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1、第三节 铁碳合金相图,铁碳合金的基本组织： 铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体 Fe - Fe3C 相图的应用： 相图中的共晶反应和共析反应、铁碳合金的分类及Fe - Fe3C 相图的应用,一、铁碳合金的基本组织,铁碳合金的组元： 铁( ferrite )和渗碳体( Cementite ) 铁碳合金的基本组织： 铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体,1、铁素体( Ferrite ),碳溶解于Fe和Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用、或F表示, 由于Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。铁素体的含碳量非常低(室温下含碳仅为0.005%)，所以其性能与纯铁相似：硬度(5080H
2、B)低，塑性(延伸率为30%50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同。,铁素体的晶体结构碳溶解于体心立方的中心,2、奥氏体( Austenite ),碳溶解于Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用或A表示。具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148C时最多可以溶解2.11%的碳，到727C时含碳量降到0.8%。奥氏体的硬度(170220HB)较低，塑性(延伸率为40%50%)高。,奥氏体碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心,奥氏体的显微组织,3、渗碳体(Cementite ),渗碳体是铁和碳形成的化合物，含碳量为6.69%，具有复杂的晶体结构，熔点为1227C
3、。渗碳体硬度极高(800HB)，塑性几乎等于0，是硬脆相。在一定条件下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C3Fe+ C(石墨)。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。,渗碳体的晶体结构,4、珠光体(Pearite),珠光体 珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，在缓慢冷却的条件下，其含碳量为0.77%。 力学性能取决于铁素体和渗碳体的性能，大体上是两者性能的平均值。所以强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。,5、莱氏体(Ledeburite),莱氏体是含碳量为4.43%的液态铁碳合金，在1148时从液相中同时结晶出的奥氏体和渗碳体的机械混合物。 室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，这
4、是由于奥氏体在727 还将转变为珠光体。 莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度很高而塑性很差。,二、 Fe-Fe3C相图运用,1 、 Fe-Fe3C相图中的特性点,Fe-Fe3C相图中的恒温转变,Fe-Fe3C相图包含三个恒温转变：包晶、共晶、共析。,包晶转变发生在1495（水平线HJB），反应式为：,式中 L0.53含碳量为0.53%的液相； 0.09含碳量为0.09%的固溶体； 0.17含碳量为0.17%的固溶体，即奥氏体，是包晶转变的产物。 含碳量在0.09%0.53%之间的合金冷却到1495时，均要发生包晶反应，形成奥氏体。,共晶转变发生在1148(水平线ECF),反应式为：,共晶转变的
5、产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号Ld表示。凡是含碳量大于2.11%的铁碳合金冷却到1148时，都会发生共晶反应，形成莱氏体。,共析转变发生727(水平线PSK)，反应式为：,共析转变的产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用字母P表示。含碳量大于0.0218%的铁碳合金，冷却至727 时，其中的奥氏体必将发生共析转变，形成珠光体。,Fe-Fe3C相图中的ES、PQ、GS三条特性线,ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。奥氏体的最大溶碳量是在1148时，可以溶解2.11%的碳。而在727时，溶碳量仅为0.77%，因此含碳量大于0.77%的合金，从1148冷到727的过程中
6、，将自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)。 PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。727时铁素体中溶解的碳最多(0.0218%),而在200仅可以溶解710-7%C。所以铁碳合金由727冷却到室温的过程中，铁素体中会有渗碳体析出，这种渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。由于三次渗碳体沿铁素体晶界析出，因此对于工业纯铁和低碳钢影响较大；但是对于含碳量较高的铁碳合金，三次渗碳体（含量太少）可以忽略不计。 GS线是冷却过程中，奥氏体向铁素体转变的开始线；或者说是加热过程中，铁素体向奥氏体转变的终了线。,2、铁碳合金的分类,根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可以分为纯铁、钢和
7、白口铁三类。 （1） 纯铁含碳量0.0218%，显微组织为铁素体 工业纯铁在缓慢冷却过程中发生的组织转变主要是同素异晶转变和Fe3CIII的析出。室温下工业纯铁的组织为铁素体以及分布在晶界处极少量的三次渗碳体(Fe3CIII)。,（2） 钢含碳量0.0218% 2.11%，特点是高温组织为单相奥氏体，具有良好的塑性，因而适于锻造。根据室温组织的不同，钢又可以分为： 亚共析钢(Hypo-eutectoid steel)： 含碳量0.0218% 0.77%，具有铁素体+珠光体P 的组织，且含碳量越高（接近0.77%）,珠光体的相对量越多，铁素体量越少。 共析钢(Eutectoid)： 含碳0.77
8、%，组织是全部珠光体P。 过共析钢(Hyper-eutectoid)： 含碳量0.77 2.11%，组织是珠光体P + 渗碳体Fe3C。,（3） 白口铁含碳量2.11% 6.69%，特点是液态结晶时都有共晶转变，因而具有良好的铸造性能。但是即使在高温也是脆性材料，不能锻造。根据室温组织不同，白口铁又分为： 亚共晶白口铁(Hypo-eutectic white iron)： 含碳2.11% 4.30%，组织是珠光体P +渗碳体Fe3C+莱氏体Ld。 共晶白口铁(Eutectic white iron)： 含碳4.30%，组织是莱氏体Ld。 过共晶白口铁(Hyper-eutectic white
9、iron)： 含碳4.36.69%,组织是渗碳体Fe3C+莱氏体Ld。,1.工业纯铁 ( Wc 0.0218% ),2. 共析钢 ( Wc = 0.77% ),3.亚共析钢 ( Wc = 0.45% ),4.过共析钢 ( Wc = 1.2% ),5.共晶白口铁 ( Wc = 4.3% ),6.亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% ),7.过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% ),3、 Fe-Fe3C相图的运用,（1）根据Fe-Fe3C相图判断铁碳合金的力学性能 所有Fe-Fe3C合金的室温组织都是由铁素体和渗碳体Fe3C两相组成，因此，把铁素体和渗碳体称为Fe-Fe3C合金的相组成物。含碳量越
10、高，合金中Fe3C的相对量越多，铁素体的相对量越少。 随碳含量增大, 组织按下列顺序变化： F、F+P、P、P+Fe3CII、P+Fe3CII+Le、Le、Le+Fe3CIFe3C,3、 Fe-Fe3C相图的运用,由图分析铁碳合金的性能与其组织之间的变化规律： 铁素体硬度低强度低，塑性好韧性好，起基体相作用； 渗碳体硬而脆，是强化相。 随着碳质量分数的增加，渗碳体量逐渐增大，铁素体量逐渐减少，铁碳合金的硬度越来越高，而塑性韧性越来越低。,（1）根据Fe-Fe3C相图判断铁碳合金的力学性能,硬度随碳含量的增加, 由于硬度高的Fe3C增多, 硬度低的F减少,合金的硬度呈直线关系增大, 由全部为F的
11、硬度约80HB增大到全部为Fe3C时的约800HB。 强度是一个对组织形态很敏感的性能。随碳含量的增加, 亚共析钢中P增多而F减少，其强度随碳含量的增大而增大；但当碳质量分数超过共析成分之后, 由于强度很低的Fe3CII沿晶界出现, 合金强度的增高变慢, 到约0.9%C时, Fe3CII沿晶界形成完整的网, 强度迅速降低, 随着碳质量分数的进一步增加, 强度不断下降, 到2.11%C后, 合金中出现Le时, 强度已降到很低的值。再增加碳含量时, 由于合金基体都为脆性很高的Fe3C, 强度变化不大且值很低, 趋于Fe3C的强度(约20MPa30MPa)。 塑性：铁碳合金中Fe3C是极脆的相, 没
12、有塑性。合金的塑性变形全部由F提供。所以随碳含量的增大, F量不断减少时, 合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时, 塑性就降到近于零值了。,碳对钢的力学性能的影响：,对于亚共析钢，随着含碳量的增加，珠光体的相对量提高，钢的强度、硬度增高，塑性、韧性下降。对于过共析钢，随着含碳量的增加，二次渗碳体数量增加，并且形成网状结构，不仅造成钢的塑性、韧性下降，同时也使强度下降；只有硬度增高。,（2）作为选用钢铁材料的依据,建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料, 选用碳含量较低的钢材。 机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料, 应选用碳含量适中的中碳钢。 工具要用硬度高和耐磨性好的材料, 则选碳
13、含量高的钢种。 纯铁的强度低, 不宜用做结构材料, 但由于其导磁率高, 矫顽力低, 可作软磁材料使用, 例如做电磁铁的铁芯等。 白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。,（2） 在制定热加工及热处理工艺的依据,铸造：靠近共晶成分的铁碳合金铸造性能好； 锻造：靠近共析成分的铁碳合金锻造性能好。,热处理工艺制定上的应用,特别提示：,Fe-Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态, 如含有其它元素, 相图将发生变化。 Fe-Fe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态, 若冷却或加热速度较快时, 其组织转变就不能只用相图来分析了。,
